第5章-典型激光器(半導(dǎo)體激光器)

第五章典型激光器——半導(dǎo)體激光器1、半導(dǎo)體基礎(chǔ)知識1.1晶體

晶體：原子的周期性規(guī)則排列所造成的由外平面包圍的多面體固體晶胞：周期性結(jié)構(gòu)中的最小重復(fù)單元晶面：晶體中的任一平面晶向：晶面的法向方向晶面的定義OYXZacbOYXZacbOYXZacb[110][111][120]OYXZacb[100]OYXZacb[010]OYXZacb[001]1.2半導(dǎo)體的能帶介電子：受原子團(tuán)束縛的電子，無法參與導(dǎo)電導(dǎo)電電子：介電子脫離原子團(tuán)的束縛，可自由傳遞參與導(dǎo)電根據(jù)量子力學(xué)理論導(dǎo)電電子和介電子的能量為其中：L為晶體長度禁帶能帶圖導(dǎo)帶介帶Eg>2eV,絕緣體Eg≈0,導(dǎo)體0<Eg<2eV,半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體和間接帶隙半導(dǎo)體直接帶隙半導(dǎo)體：高發(fā)光效率GaAs,InP,AlAs,GaAlAs,InGaAsP間接帶隙半導(dǎo)體：低發(fā)光效率Ge,Si1.3費(fèi)米-狄拉克分布電子處于能量為E的能級幾率為：空穴處于能量為E的能級的幾率為：空穴是指介電子激發(fā)躍遷以后在介帶留下的空位。公式中EF稱為費(fèi)米能級費(fèi)米-狄拉克分布；p型、n型和I型半導(dǎo)體施主雜質(zhì)：摻雜到半導(dǎo)體中提供多余電子的元素，如P、S、As等受主雜質(zhì)：摻雜到半導(dǎo)體中提供多余空穴的元素，如B、Be、Zn、In等n型半導(dǎo)體：摻雜施主雜質(zhì)，形成電子導(dǎo)電型半導(dǎo)體P型半導(dǎo)體：摻雜受主雜質(zhì)，形成空穴導(dǎo)電型半導(dǎo)體I型半導(dǎo)體（本征型半導(dǎo)體）：沒有雜質(zhì)的半導(dǎo)體摻雜對費(fèi)米能級的影響EFEFEFI型n型P型EiEi施主受主ND,NA,Ni施主、受主、本征載流子濃度EFEFEFI型n型P型簡并n型半導(dǎo)體簡并p型半導(dǎo)體摻雜對費(fèi)米能級的影響當(dāng)摻雜濃度增加時，費(fèi)米能級有可能進(jìn)入導(dǎo)帶或介帶圖5.442、LED原理特性介紹

2.1LED發(fā)光機(jī)理1.載流子的復(fù)合電子從介帶躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生電子空穴對時，需要吸收能量。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時會放出能量，能量以輻射或非輻射形式釋放。從電子來看，我們可以把受激產(chǎn)生電子空穴對以及電子空穴對的復(fù)合看成是電子的能級躍遷。pn結(jié)VD稱為勢壘高度P型半導(dǎo)體和n型半導(dǎo)體之間的接觸界面，由于載流子的擴(kuò)散，在界面附近形成空間電荷區(qū)。耗盡層2.pn結(jié)的能帶圖當(dāng)pn結(jié)加正向電壓時，導(dǎo)致p、n處費(fèi)米能級不一致，在pn結(jié)附近產(chǎn)生了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。電子和空穴的復(fù)合幾率增加，產(chǎn)生光子發(fā)射。FEN、EFP稱為準(zhǔn)費(fèi)米能級3.LED內(nèi)的復(fù)合種類1.帶間復(fù)合：導(dǎo)帶中電子和介帶中空穴的復(fù)合，產(chǎn)生的光子能量接近禁帶寬度,即2.D-A對復(fù)合：在輕摻雜的半導(dǎo)體中，施主俘獲的電子和受主俘獲的空穴之間的復(fù)合。3.等電子陷阱的激子復(fù)合：等電子雜質(zhì)是指摻雜在半導(dǎo)體中的同一族原子，它的介電子數(shù)相等。由這些原子構(gòu)成俘獲電子和空穴的陷阱。形成高效率的發(fā)光2.2LED的內(nèi)量子效率LED的內(nèi)部量子效率

其中為電荷注入效率,q為輻射效率，一般pn結(jié)是電子注入到p區(qū)復(fù)合發(fā)光，因此Dn、Dp---電子和空穴的擴(kuò)散系數(shù)Ln、Lp電子和空穴的擴(kuò)散長度nn0和Pp0---n區(qū)的電子濃度和p區(qū)的空穴濃度即輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合數(shù)之比。其中Rr，Rnr為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合幾率，r，nr為輻射復(fù)合和非輻射復(fù)合載流子壽命為提高注入效率，一般nn0>>pp0，此時n標(biāo)為n+輻射效率：LED的外部量子效率LED的外部量子效率定義為總的光輸出功率和總的電功率輸入之比影響LED外部量子效率的三個因素為：半導(dǎo)體對光子的吸收半導(dǎo)體介質(zhì)的界面反射光折射中的臨界角一些半導(dǎo)體材料的外部量子效率2.3LED的性能1.LED的帶寬由于電子和空穴在導(dǎo)帶和介帶內(nèi)具有既定的能級分布。其中電子在離導(dǎo)帶1/2kT處具有最大的幾率。同樣情況出現(xiàn)在空穴在介帶中的分布。因此當(dāng)電子從導(dǎo)帶躍遷到介帶時，產(chǎn)生一定的輻射帶寬。典型的帶寬一個紅光LED的發(fā)光光譜不同的材料其帶寬不同2.LED的電光特性LED的電流發(fā)光特性LED的電壓、電流曲線LED的發(fā)光強(qiáng)度和電流成較線形關(guān)系。而LED的伏安特性和二極管類似，有一個較明顯的閾值電壓。6.2.4LED的結(jié)構(gòu)如何提高外量子效率1．P層在最外，n層在內(nèi)部，以減少半導(dǎo)體對光子的吸收2.采用球形的光學(xué)材料封裝，增大光從半導(dǎo)體到外部的全反射臨界角GaSe的折射率為3.66也可采用側(cè)面出光的方法異質(zhì)結(jié)發(fā)光二極管寬禁帶半導(dǎo)體和窄禁帶半導(dǎo)體的結(jié)合。由于勢壘較低，電子注入效率高。寬禁帶阻止了電子和空穴的復(fù)合，復(fù)合在窄禁帶半導(dǎo)體內(nèi)進(jìn)行。由于光子能量和寬禁帶能量不相同，光不被寬禁帶材料吸收。因此異質(zhì)結(jié)發(fā)光二級管有較高的發(fā)光效率。3、LD的原理3.1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件粒子數(shù)反轉(zhuǎn)條件：電子在導(dǎo)帶的占有幾率大于在介帶的占有幾率根據(jù)費(fèi)米能級公式3.1粒子數(shù)反轉(zhuǎn)得到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)滿足：即電子和空穴的準(zhǔn)費(fèi)米能級分別進(jìn)入導(dǎo)帶和介帶進(jìn)一步可以得到：即外加電壓要足夠大3.2諧振腔晶體的端面采用110面，拋光成光學(xué)平面，形成反射鏡。構(gòu)成諧振腔LD的增益系數(shù)N為導(dǎo)帶底和介帶底的電子數(shù)之差wt3.3閾值電流密度當(dāng)光波模式的限制距離d>t時，激光器的平均增益為定義內(nèi)量子效率（光子數(shù)除注入的電子空穴對數(shù)）：令如果激光頻率和中心頻率重合，則激光振蕩時，G=，因此閾值電流密度為影響閾值電流的因素：閾值電流密度和激光器的材料、結(jié)構(gòu)、制作工藝有關(guān)閾值電流密度和模的限制距離成正比，與pn結(jié)長度成反比。閾值電流密度和工作溫度有關(guān)。隨著溫度的上升而上升。閾值電流密度和反射率有關(guān)，提高反射率可以降低閾值電流一般同質(zhì)半導(dǎo)體激光器閾值電流密度較大3.4LD的輸出特性1、輸出功率特性pn結(jié)內(nèi)部的量子效率為i，每秒鐘產(chǎn)生的光子數(shù)在閾值電流下，損耗的光子數(shù)和產(chǎn)生的光子數(shù)相等，因此損耗的光子數(shù)為因此實(shí)際產(chǎn)生的光子功率為LD輸出功率為微分外量子效率：輸出光子的增長率/注入載流子對增長率Po代入半導(dǎo)體激光器的功率效率LD的模式特性橫模：LD有源層的厚度<0.15um，LD有源層寬度<10um，單側(cè)向模，單橫向模目前的LD均為單模方式縱模：有單縱模LD和多縱模LD橫向側(cè)向LD的遠(yuǎn)場特性由于LD內(nèi)光學(xué)腔為矩形，導(dǎo)致出射光在垂直厚度方向發(fā)散角大，而水平方向發(fā)散較小。有源層厚度d較大時(>2um)水平方向發(fā)散角W為橫向?qū)挾取５湫偷腖D發(fā)散角：水平5度，垂直30度LD的熱穩(wěn)定性1.LD的閾值電流隨溫度的升高而上升Troom為室溫，T0稱為特征溫度,一般用T0表示LD的熱穩(wěn)定性2.閾值電流的增大會導(dǎo)致輸出功率的降低，影響效率3.溫度的變化會引起輸出模頻的漂移。主要是由于有源層的折射率變化和禁帶寬度的變化造成的。右圖：輸出功率和溫度關(guān)系下圖：輸出波長隨溫度的變化異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器雙異質(zhì)結(jié)激光器（ＤＨ）DH基本結(jié)構(gòu)是將有源層夾在同時具有帶寬隙和低折射率的兩種半導(dǎo)體材料之間，以便在垂直于結(jié)平面的方向（橫向）上有效地限制載流子與光子。4、半導(dǎo)體激光器的基本結(jié)構(gòu)條形激光器針對有源區(qū)的載流子和光子在結(jié)平面方向（測向）的限制而采用條形結(jié)構(gòu)，使激光器的閾值電流大幅度降低，改善了近場與遠(yuǎn)場、縱模與橫模特性，提高了材料的可靠性等。量子阱半導(dǎo)體激光器單量子阱多量子阱量子阱是指窄帶隙超薄層被夾在兩個寬帶隙勢壘薄層之間的狀態(tài)垂直腔表面發(fā)射激光器（VCSEL）垂直腔是指激光腔的方向（光子振蕩方向）垂直于半導(dǎo)體芯片的襯底，有源層的厚度即為諧振腔長度。大功率激光二極管陣列阻礙激光二極管大功率化的一個原因是端面激光區(qū)的高光功率密度引起的突發(fā)性光學(xué)損傷。解決的方法是擴(kuò)大器件的發(fā)光區(qū)面積，另一個就是采用陣列技術(shù)。分布反饋式半導(dǎo)體激光器DFB原理：根據(jù)布拉格衍射原理，入射平面波在界面B、C點(diǎn)反射后，光程差是波長的整數(shù)倍時，發(fā)射波加強(qiáng)。這種光柵式的結(jié)構(gòu)完全可以起到一個諧振腔反射鏡的作用。它所發(fā)射的激光頻率完全由光柵的周期T決定。優(yōu)點(diǎn)：1.靈活調(diào)整波長2.激勵功率較小，效率高（20%）3.調(diào)制性能好（直接調(diào)制，調(diào)制深度可控，調(diào)制速度快，ps水平）4.體積小缺點(diǎn)：1.單色性差~1A2.遠(yuǎn)場特性差3.輸出功率小4.熱穩(wěn)定性差LD與其它激光器相比優(yōu)缺點(diǎn)其他激光器一、自由電子激光器自由電子激光器的特點(diǎn)：發(fā)光介質(zhì)：自由電子可以高的輸出功率能量轉(zhuǎn)換效率高工作物質(zhì)不會衰變自由電子激光器的構(gòu)成：1、加速器2、擺動器3、諧振腔圖6.4圖6.5電子在磁